Tipe : Les cyclones tropicaux

1°) La naissance des cyclonesde la dépression tropicale à l’ouragan
a) L’atmosphère type

On retrouve la plus grande partie des phénomènes climatiques, dont les cyclones, dans la troposphère.
L’atmosphère varie suivant les saisons et les latitudes. C’est pourquoi l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI) a défini une atmosphère de référence.
Au niveau de la mer il fait 15°C pour une pression de 1013hPa. La troposphère s’étend de 0 à 11 km d’altitude. La décroissance de la température est linéaire (-6,5°C/km) tandis que celle de la pression est exponentielle. Dans la troposphère on peut démontrer que

Avec- P(z), la pression atmosphérique à l’altitude z (en hPa)
- M, la masse molaire de l’air sec, M = 28,9 g.mol;
- R, la constante des gaz parfaits R=8.314 J.K
- g, le rapport des capacités thermiques à volume et pression constants de l’air, g= ;
- g, la constante de gravité, g=9.81 N.kg.
P(z) = 1013,25(-3,3. 10 z + 1) avec z, l’altitude en mètres.

b) Les conditions de formation

Bien que les conditions de formation d’un cyclone tropical restent encore un sujet de recherche, les scientifiques ont pu déterminer cinq facteurs nécessaires à la formation des cyclones grâce à des observations.
1) Ils ne peuvent se former qu’entre les deux tropiques (entre 20° N et 20°S de latitude) dans une zone de mauvais temps appelée zone de convergence intertropicale (ZCIT). De plus, la formation ne peut, en principe, n’avoir lieu qu’à plus de 5° de latitude Nord ou Sud pour que la force de Coriolis ne soit pas négligeable et que puisse s’amorcer le mouvement convectif du cyclone. Cependant, en 2001, le cyclone Varneï ne s’est formé qu’à 1,5° de latitude. On pense que ce phénomène ne se produirait que tous les 400 ans environ.
2) L’apparition d’un cyclone ne se produit qu’au dessus de la mer. De plus la température dite de surface de celle-ci (i.e. jusqu’à 50 mètres de profondeur) doit être supérieure ou égale à 26°C. En effet, l’évaporation fournit l’énergie nécessaire à la genèse du cyclone d’une part, et à l’entretien du mouvement convectif d’autre part. Si l’eau est plus froide l’énergie créée par l’évaporation n’est pas assez importante pour le créer ou l’entretenir. Lorsque le cyclone arrive sur terre sa force diminue considérablement bien qu’elle reste élevée.
3) Les conditions atmosphériques doivent être favorables à la formation d’oragestempérature de la troposphère diminuant rapidement quand l’altitude augmente et hydrométrie élevée. A moins de 40% d’humidité la formation est impossible, à plus de 70% elle devient fréquente.
4) Il doit y avoir une perturbation atmosphériqueun mouvement vertical ascendant, qui est généralement faible, sans rotation appelé ici onde tropicale.
5) Il doit se produire un faible cisaillement vertical du vent: la force et la direction ne doivent pas varier en fonction de l’altitude pour que l’énergie ne se disperse pas.

Mais ces conditions ne sont que nécessaires à la formation d’un cyclone, elles ne sont pas suffisantes

c) Comment se forme un cyclone

Phase 1 : Formation d'une perturbation tropicale. La température élevée de l’eau de surface favorise une intense évaporation ; le flux d’air humide s’élève vers la haute troposphère ce qui modifie les données barométriques : on constate, d’une part, en surface, une baisse de pression (dépression) résultant des ascendances d’air chaud et plus ou moins humide, ainsi que de la convergence des courants à basse altitude et, d’autre part, à haute altitude, une hausse de pression (anticyclone) résultant de la divergence des flux au moment où l’air ascendant bute contre l’inversion de température de la tropopause ; le renforcement du gradient de pression a pour corollaire un accroissement parallèle de la vitesse des vents ; le flux ascendant se refroidit bientôt, l’air devient saturé et la vapeur d’eau se condense ; cette condensation et la formation de masses nuageuses dégagent de la chaleur latente d’évaporation.

Phase 2 : Une dépression tropicale. L’air environnant des basses couches est aspiré vers la dépression dans un mouvement convergent cyclonique

Phase 3 : Jusqu’au cyclone.
Tandis que l’air en altitude se refroidit en s’écoulant vers l’extérieur de la colonne dans un mouvement divergent-anticyclonique (en rotation horaire dans l’hémisphère nord et l’inverse dans l’hémisphère sud), la dépression de surface se creuse grâce à l’apport en énergie de la chaleur latente et aux eaux chaudes (via l’air chargé d’humidité suite à l’évaporation). Finalement, l’œil du cyclone se forme suite aux courants subsidents d’air sec au centre.

2°) La structure à maturité
a) Schémas et description

Au stade de maturité, le cyclone est une énorme masse nuageuse de 500 à 1500 km de diamètre, organisée en bandes spiralées (elles-mêmes séparées par des « rues ») convergeant vers un anneau compact, le cœur, composé de deux éléments : l’œil et le mur du cyclone. L’œil est entouré par le mur formé de cumulonimbus qui s’élèvent jusqu’à la tropopause (12-15 km d’altitude environ). Ces cumulonimbus, gros nuages d’orage à l’origine de fortes précipitations (averses, neige ou grêle), tournent en spirale autour de l’œil (ceintures de cellules de convection) jusqu’à atteindre dans les cas extrêmes un diamètre de 250 km environ. Au-dessus d’eux s’étend une épaisse « ombrelle » de nuages glacés (cirrus) jusqu’à une distance de 600 à 800 km du centre de la tempête. Dans le mur, zone la plus active du cyclone, les précipitations sont donc les plus abondantes (voire torrentielles), ainsi que les vents les plus violents (jusqu’à 300 km/h). Bien avant les météorologues, les marins distinguent encore, au sein du cyclone, deux zones résultant d’une dissymétrie du champ de pression : le demi-cercle dangereux (à droite de la trajectoire, dans l’hémisphère nord) là où le vent et le courant de la perturbation s’écoulent dans le même sens et le demi-cercle maniable (à gauche de la trajectoire) là où les vagues et le vent se propagent dans le sens contraire du cyclone.

L’œil du cyclone Sorte d’entonnoir pouvant atteindre un diamètre de 8 à 250 km, mais de 30 à 60 km de diamètre en général, c’est la région la plus chaude du cyclone avec des températures de 10° à 15° C plus élevées qu’alentour. L'œil du cyclone est constitué par de l'air subsident (mouvement descendant), tandis que dans le mur, les mouvements ascendants sont rapides. Ces températures élevées de l'œil s'expliquent par la compression de l'air subsident. Dans l’œil, on enregistre les mesures de pression en surface les plus basses, soit des valeurs inférieures à 970 hPa ; zone généralement calme, il se caractérise par des vents faibles, des précipitations quasi nulles, une couverture nuageuse très forte formée de cumulus et de stratocumulus (dans les basses couches où l’air est presque saturé en humidité) ou un ciel complètement dégagé. L’œil renseigne sur l’intensité du phénomène (s’il est étroit, c’est un cyclone violent ; s’il est large, le cyclone est peu violent, voire en dégénérescence).

b) Une gigantesque machine thermique - voir étude dans la partie III

En tant que machine thermodynamique, le cyclone tropical transforme de la chaleur (énergie thermique provenant de l’évaporation et de la condensation) en mouvement (énergie cinétique du vent). Il peut être modélisé par un «de Carnot». Par ailleurs, ce cycle prévoit que l’intensité de cette transformation dépend de l’écart entre la source « chaude » (l’océan) et la source « froide » (la tropopause) : plus la différence est grande, plus la force des vents et les valeurs de dépression s’accroissent.

3°) La « mort » du cyclone
Pour qu'un cyclone se forme et survive il lui faut de l'énergie. Celle ci est fournie par les eaux chaudes de la mer. Quand la perturbation arrive sur le continent ou sur une surface d'eau plus froide, elle se désagrège et disparaît, faute d'énergie suffisante. L'autre grande cause de la mort des cyclones est l'apparition d'un "cisaillement" vertical du vent au-dessus du tourbillon de surface qui contribue à désactiver le phénomène. Une trajectoire trop proche de l’équateur peut aussi entraîner la mort du cyclone (force de Coriolis trop faible).